| Abstract | Kukuruz (Zea mays L.) je najraširenija ratarska kultura u Hrvatskoj, a korovi su glavni ograničavajući čimbenici suvremene proizvodnje. Korovna flora kukuruza na području kontinentalne Hrvatske sastavljena je od sljedećih vrsta: koštan (Echinochloa crus-galli (L.) P. Beauv.), pelinolisni limundžik (Ambrosia artemisiifolia L.), bijela loboda (Chenopodium album L.), oštrodlakavi šćir (Amaranthus retroflexus L.), sivi muhar (Setaria pumila (Poir.) Roem & Schult. (= Setaria glauca [L.] P. Beauv.; Setaria lutescens [Stuntz] F.T. Hubb.), europski mračnjak (Abutilon theophrasti Med.) vlasasto proso (Panicum capillare L.). Sukladno Direktivi 2009/128/ EC Europske unije o održivoj uporabi pesticida i novim strategijama europskog Zelenog plana o redukciji unosa pesticida u okoliš, usmjereno suzbijanje korova u suvremenoj proizvodnji kukuruza potrebno je provoditi nakon nicanja korova u tzv. post-emergence periodu. Koncept integrirane zaštite bilja zasniva se na poznavanju ekonomskog praga štetnosti kao ekonomski opravdanoj osnovi za primjenu herbicida. Drugim riječima iznad utvrđenog broja štetne populacije tretiranje treba provesti kako ne bi došlo do redukcije prinosa. Implementacija pragova odluke kod suzbijanja korova, međutim odvija se značajno sporije nego kod ostalih štetnih organizama. Naime, brojnost korova nije dobar pokazatelj potencijalnih šteta koje određena vrsta može nanjeti usjevu. Ukoliko korovna vrsta ponikne ranije u odnosu na usjev štete su veće u odnosu na korovne vrste koje poniknu kasnije u vegetaciji. Stoga se noviji pragovi oduke za suzbijanje temelje na poznavanju dinamike nicanja korovnih vrsta odnosno vremenu i trajanju nicanja korova temeljem čega se prilagođava primjena herbicida i ostale mjere borbe protiv korova. To je posebice važno danas zbog nove strategijje EU Zelenog plana čiji je cilj redukcija unosa pesticida u okoliš.
Temperatura i vlažnost tla dva su osnovna čimbenika koji određuju nicanje korova pa se za prognozu nicanja koriste dva tipa modela: toplinski i vodno-toplinski modeli. Toplinski modeli sumiraju toplinske jedinice iznad biološkog minimuma sjemena (Tb) odnosno utvrđene minimalne temperature za klijanje. Kod toplinskog modela može doći do odstupanja u očekivanom nicanju korova pri nedostatku vlage u tlu pa je predviđanje ovim modelom manje precizno u odnosu na vodno-toplinski model, a pogotovu u ne-navodnjavnim usjevima. Nasuprot tome, vodno-toplinski model zbraja toplinske jedinice od trenutka kad vodni potencijal tla dosegne vrijednost biološkog vodnog potencijala sjemena (Ψb), odnosno najnižu vrijednost vodnog potencijala tla pri kojem sjeme pojedine vrste klije.
Vodno-toplinski model AlertInf, jedan je od rijetkih prognoznih modela korištenih i u praktične, a ne samo znanstvene svrhe i dostupan je (https://www.arpa.veneto.it/upload_teolo/agrometeo/infestanti.htm) proizvođačima kukuruza u Italiji za prognozu nicanja korova. AlertInf trenutno prognozira nicanje deset korovnih vrsta: Abutilon theophrasti, svračica (Digitaria sanguinalis (L.) Scop.), Echinochloa crus galli, perzijski dvornik (Polygonum persicaria L.), zeleni muhar (Setaria viridis (L.) Beauv.), crna pomoćnica (Solanum nigrum L.), Amaranthus retroflexus, Chenopodium album, Setaria pumila i divlji sirak (Sorghum halepense (L.) Pers.).
Izrada vodno-toplinskog modela nicanja odvija se u četiri faze: (1) laboratorijsko utvrđivanje bioloških parametara klijanja (biološki minimum i biološki vodni potencijal) pojedine korovne vrste; (2) praćenje dinamike nicanja korova i monitoring temperature i vodnog potencijala tla u zoni nicanja korova u poljskim uvjetima; (3) izračun sume vodno-toplinskih jedinica i izrada krivulje dinamike nicanja korova u usjevu – prognoza nicanja te (4) validacija modela u usjevu kukuruza. Primjena vodno-toplinskog modela zahtjeva utvrđivanje vrijednosti bioloških parametara svake vrste uključene u model što dosad nije istraživano u Hrvatskoj. Naime, u različitim geografskim područjima korovne vrste mogu varirati u vrijednostima bioloških parametara, a koje su nužne za primjenu, odnosno korištenje prognoznih modela.
Stoga je preduvjet za implementaciju modela razvijenog na drugom geografskom području preklapanje vrijednosti bioloških parametara domaćih populacija s onim vrijednostima populacija ugrađenim u postojeći model. Ukoliko se vrijednosti bioloških parametara ne razlikuju između dvije populacije, model je moguće validirati u polju praćenjem nicanja istraživanih vrsta. Ukoliko postoji statistička razlika u vrijednostima bioloških parametara model je potrebno kalibrirati za vrijednosti nativnih populacija.
Stoga su postavljene hipoteze istraživanja: (1) bioloških parametri klijanja (biološki minimum i biološki vodni potencijal) nativnih populacija korova razlikovat će se od stranih populacija ugrađenih u AlertInf model; (2) primjenom AlertInf modela s utvrđenim vrijednostima biološkog minimuma i biološkog vodnog potencijala nativnih populacija moguće je prognozirati dinamiku nicanja korova u polju.
Cilj istraživanja u sklopu doktorske disertacije bio je utvrditi: (1) biološke parametre (biološki minimum i biološki vodni potencijal) sedam korovnih vrsta (Abutilon theophrasti, Echinochloa crus-galli, Amaranthus retroflexus, Chenopodium album, Setaria pumila, Panicum capillare, Ambrosia artemisiifolia) prisutnih u usjevu kukuruza u Hrvatskoj i usporediti ih s vrijednostima istih vrsta ugrađenih u AlertInf model; (2) dinamiku nicanja korova u polju korištenjem biološkog minimuma i biološkog vodnog potencijala za nativne populacije uključujući dvije vrste koje dosada nisu bile uključene u AlertInf model.
Istraživanje je provedeno u laboratorijskim i poljskim uvjetima. U laboratorijskim uvjetima provedeno je utvrđivanje bioloških parametara. Sjeme ovih vrsta sakupljeno na lokacijama Šašinovec (45°50'59.6"N;16°09'53.9"E), Maksimir (45°49'34.3"N;16°01'49.8"E) i Lipovec Lonjski (45°44'51.9"N;16°23'12.4"E). Očišćeno sjeme je do početka istraživanja hladno uskladišteno (4°C) uz relativnu vlažnost zraka 70 %. Za utvrđivanje biološkog minimuma, u Petrijeve zdjelice na filter papir uz dodatak destilirane vode položeno je 100 sjemenki svake istraživane vrste. Posijano sjeme je postavljeno na klijanje u klima komore pri rasponu od najmanje sedam konstantnih temperatura zraka, ovisno o istraživanoj korovnoj vrsti i fotoperiodu 12h : 12h (dan : noć).
Za određivanje biološkog vodnog potencijala 100 sjemenki je položeno u Petrijeve zdjelice na osam različitih koncentracija polietilen-gilkola (PEG 6000) za simulaciju vodnog potencijala tla. Istraživani vodni potencijali iznosili su: 0,00 (destilirana voda), -0,05, -0,10, -0,25, -0,38, -0,50, -0,80, -1,00 MPa. Pokusi su provedeni pri konstantnoj temperaturi od 22 °C i fotoperiodu 12h : 12h (dan : noć).
U laboratorijskim istraživanjima za utvrđivanje biološkog minimuma i biološkog vodnog potencijala klijavost je provjeravana dva puta dnevno pri visokim temperaturama (> 20 °C) i visokim vodnim potencijalima (> -0,38 MPa), te jednom dnevno na niskim temperaturama (< 20 °C) i niskim vodnim potencijalima (< - 0,38 MPa). Biološki parametri klijanja (biološki minimum i biološki vodni potencijal) utvrđeni su korištenjem podataka o dinamici klijanja pri različitim temperaturama i vodnim potencijalima za svaku vrstu. Krivulja dinamike klijanja izrađena je koristeći logističku funkciju u statističkom programu Bioassay97 s ciljem utvrđivanja srednjeg vremena klijanja (t50). Recipročna vrijednost t50 (1/t50) korištena je za izradu pravca linearne regresije. Vrijednost biološkog minimuma i biološkog vodnog potencijala predstavljaju točku u kojoj pravac linearne regresije siječe os x. Intervali pouzdanosti za biološki minimum i biološki vodni potencijal utvrđeni su prema bootstrap metodi. Potom su utvrđene vrijednosti bioloških parametara nativnih populacija uspoređene s vrijednostima talijanskih ugrađenih u AlertInf model, prema kriteriju 95 % preklapanja granica pouzdanosti. U slučaju da preklapanja granica pouzdanosti nije bilo, utvrđena je značajna statistička razlika između dvije populacije.
Poljski pokus proveden je tijekom dvije vegetacijske sezone kukuruza na lokaciji Šašinovec praćenjem nicanja korovne vrste Echinochloa crus-galli u usjevu. Praćenje nicanja provedeno je postavljanjem 12 kvadrata (0,3 x 0,3 m) između redova kukuruza. Ponikli prvi listovi uklanjani su tri puta tjedno bez dodatnog okretanja tla. Temperatura i vlažnost tla praćeni postavljanjem termometra (HOBO UA-001-08, Onset Computer Corporation, Bourne, MA) i uređaja za mjerenje vlage (ECH2O 10HS Soil Water Content sensor, Meter Group Inc., USA) na dubini do 5 cm unutar istraživanih kvadrata.
Rezultati istraživanja ukazuju da se istraživane korovne vrste razlikuju u vrijednostima bioloških parametra klijanja. Utvrđeni biološki minimumi istraživanih vrsta su: Ambrosia
artemisiifolia (1,5°C), Chenopodium album (3,4°C), Abutilon theophrasti (4,5°C), Setaria pumila (6,6°C), Echinochloa crus-galli (10,8°C), Panicum capillare (11,0°C), Amaranthus retroflexus (13,9°C). Utvrđeni biološki vodni potencijalih istraživanih vrsta su: Chenopodium album (-1,38 MPa), Echiniochloa crus-galli (-0,97 MPa), Ambrosia artemisiifolia (-0,89 MPa), Panicum capillare (-0,87 MPa), Setaria pumila (-0,71 MPa), Abutilon theophrasti (-0,67 MPa) and Amaranthus retroflexus (-0,36 MPa). Rezultati istraživanja pokazuju da između hrvatske i talijanske populacije korovne vrste Abutilon theophrasti nisu utvrđene statistički značajne razlike u vrijednosti biološkog minimuma i biološkog vodnog potencijala. Ovo je ujedno i jedina vrsta kod koje statistička razlika nije utvrđena između oba parametra u dvije populacije. Nadalje, statistički značajna razlika utvrđena je između hrvatske i talijanske populacije korovnih vrsta Echinichloa crus-galli i Amaranthus retroflexus u vrijednosti biološkog minimuma dok za iste vrste nije utvrđena statistička razlika u vrijednosti vodnog potencijala. Statistička značajna razlika utvrđena je za oba parametra između hrvatske i talijanske populacije korovnih vrsta Chenopodium album i Setaria pumila.
Prema navaedenim rezultatima, za korovnu vrstu Abutilon theophrasti moguća je diretkna validacija AlertInf modela u polju bez prethodne kalibracije vrijednosti bioloških parametara modela. Za vrste Echinochloa crus-galli i Amaranthus retroflexus validaciji modela mora prethoditi kalibracija u usjevu s utvrđenim biološkim minimumima, a kalibracija je potrebna za oba istraživana parametra za vrste Chenopodium album i Setaria pumila. S obzirom da AlertInf ne prognozira nicanje vrsta Panicum capillare i Ambrosia artemisiifolia za ove vrste potrebno je nadograditi model te ga validirati u polju.
U usjevu kukuruza praćenjem nicanja korovne vrste Echinochloa crus-galli validran je model AlertInf u kojeg su ugrađene utvrđene vrijednost biološkog minimuma nativne populacije. Kalibriranim modelom AlertInf uspješno je predviđeno nicanje korovne vrste Echinochloa crus-galli u kukuruzu u kontinentalonoj Hrvatskoj. Uspješnost modela modela procijenjena je korijenom srednje kvadratne pogreške (RMSE) i indeksom učinkovitosti modeliranja (EF). RMSE je iznosio 1,69 u 2019., odnosno 1,38 u 2020. a EF je iznosio 0,97 za 2019. i -0,98 za 2020. Stoga rezultati ukazuju da je korištenjem kalibriranog modela AlertInf moguće predvidjeti nicanje korovne vrste Echinochloa crus-galli u kukuruzu u kontinentalnoj Hrvatskoj. |
| Abstract (english) | Maize is the most widespread crop in Croatia and weeds are the main production limiting factors. In modern maize production herbicide application is performed after weed and crop emergence. Since weed species can differ in the time and duration of emergence to achieve appropriately timed weed control, it is necessary to determine the period in the field when the largest population of weed species is expected. Weed emergence prediction models are being developed to predict peak periods of weeds so that farmers can determine the appropriate time to apply herbicides. Soil temperature and soil moisture are the two main factors affecting weed emergence under field conditions. Therefore, hydrothermal models can be used to predict weed emergence in agricultural crops. Hydrothermal models summarize thermal units subtracted from the value of base temperature (Tb) when the soil water potential is above the value of base water potential of the species (Ψb). AlertInf is an Italian hydrothermal model for weed emergence prediction in maize developed in the Veneto region. The possibility of validating this model to Croatian maize crops was tested during this doctoral research. Prior to validate the model, estimation of germination parameters (Tb and Ψb of each weed species) is required. In the doctoral research, germination parameters of economically important weeds in maize crop in Croatia (Amaranthus retroflexus, Chenopodium album, Echinochloa crus-galli, Abutilon theophrasti, Setaria pumila, Panicum capillare and Ambrosia artemisiifolia) were estimated. Naimely, if the biological parameters of native and foreign populations of the same species differ it is necessary to calibrate the model.
The estimated Tb and Ψb of of the studied species are: Ambrosia artemisiifolia (1.5°C; -0.89 MPa), Chenopodium album (3.4°C; -1.38 MPa), Abutilon theophrasti (4.5°C; -0.67 MPa), Setaria pumila (6.6°C; -0.71 MPa), Echinochloa crus-galli (10.8°C; -0.97 MPa), Panicum capillare (11.0°C; -0.87 MPa), Amaranthus retroflexus (13.9°C; -0.36 MPa). No statistical difference was found between the Croatian and Italian populations of Abutilon theophrasti for both germination parameters. Therefore, the AlertInf model can be validated in the Croatian maize field without calibration. No statistical difference was found between the Croatian and Italian populations of Echinichloa crus-galli and Amaranthus retroflexus in the base water potential parameters. However, a statistical difference was found in the base temperature parameters for these two species. Therefore, AlertInf should be calibrated for these two species and validated for the base temperature parameters. Statistical differences between Croatian and Italian populations of Setaria pumila were found for both parameters studied (Tb and Ψb). In order to use the AlertInf model in Croatian maize fields, the model should be calibrated and validated for both studied parameters. Since the AlertInf model does not consider the species Ambrosia artemisiifolia and Panicum capillare, it should be updated and validated for this two weed species in maize fields in continental Croatia.
The emergence of Echinochloa crus-galli in Croatian maize fields was successfully predicted with AlertInf including estimated germination parameters of the native population. The overall performance of the model was evaluated by the root mean square error (RMSE) and modeling efficiency (EF). The RMSE is 1.69 and 1.38 for 2019 and 2020, respectively. In addition, EF is 0.97 and 0.98 in 2019 and 2020, respectively. With the calibrated model AlertInf it is possible to predict the emergence of Echinochloa crus-galli in maize fields in continental Croatia.
The results obtained in the PhD thesis also have a practical value for maize growers and fit well with the EU Directive 2009/128/ EC on the sustainable use of pesticides and the European Commission's Green Deal initiatives to reduce pesticide use in agriculture. |
